コンタクト式露光装置｜フォトマスクを密着させて直接露光

コンタクト式露光装置

コンタクト式露光装置とは、半導体のフォトリソグラフィ工程において、フォトマスクをウェハ上に直接密着させ、光源からの紫外線などを照射してパターンを焼き付けるための装置である。半導体製造の初期から利用されてきた歴史ある方式で、マスクとウェハの間にほとんど隙間がないため、高解像度でのパターン形成が期待できる。しかしその一方で、マスクがウエハ表面と接触することに起因する欠陥や微小なゴミの混入リスクも指摘されており、メンテナンスや管理が重要になる。近年では、さらに微細化を進めるためにステッパーなどの投影露光装置が主流となってきたが、小規模な試作や特定の用途では、今なお活用される機会がある。

Table Of Contents

仕組み

コンタクト式露光装置の仕組みは非常に単純である。まずフォトマスクをセットし、その下にフォトレジストを塗布したウェハを配置する。マスクとウェハが直接接触するように位置合わせを行い、光源からの紫外線や深紫外線を照射することで、マスクの開口部から透過した光がウェハ上のフォトレジストを露光する。露光後は現像工程を経て、必要なパターンがウェハ表面に転写される。このようにマスクとウェハが密着するため、理想的にはマスクのパターンがそのまま転写されるが、実際にはダストやウェハ表面の微細な凹凸などによりパターンの欠陥が生じやすい側面がある。

特徴

  • 高解像度：マスクとウェハの距離が極めて近いため、拡散効果を抑えた転写が期待できる
  • 装置構造がシンプル：投影光学系が不要なためメンテナンスコストを抑えやすい
  • 微粒子管理の難しさ：直接接触することから、マスク汚染が転写欠陥に直結しやすい
  • ウェハ表面ダメージの可能性：圧接することで、レジスト層や基板そのものへの影響が生じる場合がある

歴史的背景

半導体製造の黎明期には、微細化技術が現在ほど進んでおらず、露光工程もシンプルな手法が主流だった。その中でコンタクト式露光装置は、回路パターンを確実に転写できる利点を買われて広く使われた。しかしウェハサイズの拡大や微細化の進行につれ、コンタクト方式が持つ欠陥リスクは大きな課題となった。特にメモリやロジックのように高密度化が求められるデバイス分野では、わずかな欠陥でも歩留まりを大幅に低下させる要因になり得るため、投影露光方式を用いたステッパーへと移行が進んだ。

利点

最も大きな利点は装置の構造が簡易で、製造コストや保守コストが比較的安価である点である。投影レンズなどの高度な光学系が不要なため、装置そのものは小型化しやすく、研究開発用途にも向いている。また、高額なステッパーを導入できない小規模ラインや、特定のパワーデバイスやセンサーの試作などでは、狭い範囲に高解像度でパターンを形成できるコンタクト式露光装置が依然として有用である。

課題

一方で欠陥が発生しやすい点は大きな課題である。マスクとウェハが直接接触することから、フォトレジスト表面に付着したダストやウェハのわずかな段差ですらパターン不良を引き起こす。また、マスクが何度も使用されるうちに摩耗や汚染が蓄積し、マスク自体の寿命が短くなることも無視できない。これらの問題は投影露光方式に比べると顕著であり、大規模生産ラインでは量産効率が低下してしまう要因になりやすい。

メンテナンスと管理

コンタクト式露光装置の性能を最大限に引き出すためには、マスクやウェハの清浄度を保つ管理体制が不可欠である。クリーンルーム内での徹底したパーティクル管理はもちろん、使用後のマスクを定期的にクリーニングし、傷や汚染を最小限に抑えることが重要となる。また、ウェハ載置面の平坦性を確保することで、コンタクト時の圧力やズレが減少し、露光不良の発生率を下げることができる。このようにメンテナンスの手間はかかるものの、正確な管理を行えば良好なパターン精度を維持できる可能性もある。